ASTM D792 : Mesure de la densité des plastiques et des polymères

La norme ASTM D792 décrit une procédure précise pour déterminer la densité et la gravité spécifique d'un plastique par sa flottabilité dans un liquide, généralement de l'eau. Bien qu'il semble facile, ce test peut en dire long sur ce qui se passe à l'intérieur du matériau, sur son homogénéité et même sur sa formulation.

Pourquoi la densité et la gravité spécifique sont-elles importantes ?

La densité quantifie la quantité de masse contenue dans un volume spécifique, tandis que la gravité spécifique est cette même densité exprimée sous la forme d'un rapport entre la densité et celle de l'eau à une température standard. La densité indique donc le "poids" d'un matériau par rapport à sa taille, tandis que la gravité spécifique offre un moyen pratique de comparer les matériaux sans avoir recours aux unités.

Dans le domaine de la fabrication et de la science des matériaux, ces chiffres sont plus que des valeurs abstraites figurant sur une fiche technique : ce sont aussi des identificateurs de la pureté, de la qualité et de la performance d'un produit. Une densité incorrecte dans un polymère, par exemple, peut être liée à des vides, des impuretés ou des mélanges erronés de charges. Pour un ingénieur, cela peut se traduire par des variations des propriétés thermiques, de la rigidité ou de la résistance.

Le principe de l'ASTM D792

Le test ASTM D792 repose sur le principe d'Archimède selon lequel l'objet immergé est soumis à une force de flottaison égale au poids du fluide déplacé. Cette loi simple est à la base de l'une des méthodes les plus utilisées pour tester les matériaux.

En pratique, le test consiste à peser un échantillon solide deux fois : une fois dans l'air et une fois immergé dans l'eau. En soustrayant l'une des mesures de l'autre, il est alors possible de calculer la densité et la gravité spécifique. Les équations utilisées sont les suivantes :

Gravité spécifique (SG) = Wₐ/(Wₐ - Ww)

Densité = SG × densité de l'eau à la température d'essai

où (Wₐ) est le poids de l'échantillon dans l'air et (Ww) son poids lorsqu'il est partiellement immergé dans l'eau. À 23 °C, la densité de l'eau est d'environ 0,9975 g/cm³, chiffre utilisé dans la majorité des essais, sauf indication contraire.

Procédures de test et variations

La norme ASTM D792 comporte plusieurs procédures différentes, numérotées de A à D, pour répondre aux besoins d'échantillons de différents types. La procédure A s'applique aux plastiques solides qui sont plus lourds que l'eau, tandis que la procédure B utilise un plomb métallique pour tester les échantillons flottants. Les procédures C et D s'appliquent à des situations plus complexes telles que les petits granulés, les films minces ou les poudres, qui utilisent plus généralement un pycnomètre ou une colonne à gradient de densité au lieu de l'immersion directe.

Le contrôle de la température est une autre considération essentielle. De légères variations de température entraînent un changement assez faible de la densité de l'eau et de l'échantillon, de sorte que les expériences sont généralement menées à 23 ± 2 °C pour assurer une certaine cohérence.

Interprétation des résultats de l'ASTM D792

Les valeurs de densité et de poids spécifique de l'ASTM D792 peuvent varier considérablement en fonction de la formulation, du type de matériau et du traitement. Pour prendre quelques exemples, le polyéthylène (PE) se situe généralement entre 0,91 et 0,96 g/cm³, et le polycarbonate (PC) est plus dense, à environ 1,20 g/cm³. À l'extrémité supérieure, le PTFE (téflon) a une densité supérieure à 2,15 g/cm³, ce qui correspond à sa structure moléculaire très serrée.

Un changement brusque de la densité mesurée par rapport aux niveaux de référence établis peut indiquer des problèmes de fabrication. Des valeurs très faibles peuvent être le signe de vides internes ou de piégeage de gaz, et des valeurs élevées peuvent être le signe d'un excès de charges ou de contaminants. C'est pourquoi la majorité des laboratoires de contrôle de la qualité utilisent l'ASTM D792 comme méthode de dépistage rapide pour repérer toute anomalie avant de procéder à des essais à grande échelle.

Applications de l'ASTM D792 dans l'industrie

Les informations obtenues grâce aux tests ASTM D792 ne présentent pas qu'un intérêt académique. Dans la production de polymères, ils permettent aux fabricants de vérifier la cohérence des lots de résine et de détecter les dérives de formulation. Dans les applications automobiles et aérospatiales, la connaissance de la densité des composites polymères permet de vérifier que les pièces répondent à des spécifications précises en matière de poids et de performances. Même dans la production de dispositifs médicaux, des mesures précises de la densité permettent de s'assurer que les qualités de polymères sont conformes aux exigences de biocompatibilité et de durabilité.

Densités typiques des matériaux

Pour mettre ces valeurs en perspective, voici quelques valeurs représentatives :

- Polyéthylène (PE): 0,91-0,96 g/cm³

- Polycarbonate (PC) : 1,19-1,22 g/cm³

- Nylon (PA) : 1,13-1,15 g/cm³

- Polytétrafluoroéthylène (PTFE) : 2,15-2,20 g/cm³

- Aluminium : 2,70 g/cm³

- Acier inoxydable : 7,90-8,05 g/cm³

- Tungstène : 19,25 g/cm³

Comme le montrent ces exemples, les plastiques et les alliages légers occupent le bas de l'échelle des densités, tandis que les métaux, en particulier les métaux lourds comme le tungstène ou le plomb, se trouvent à l'autre extrémité.

Valeurs typiques de densité et de masse volumique (référence ASTM D792)

Conclusion

L'ASTM D792 est une méthode simple mais puissante de détermination de la densité et de la masse volumique des matières plastiques et d'autres matériaux. Bien plus qu'une procédure standard de laboratoire, elle constitue une ressource précieuse pour les ingénieurs, les fabricants et les chercheurs qui ont besoin de savoir comment la structure, la formulation et le traitement d'un matériau affectent ses performances finales.